《学霸笔记 同步精讲》第7章 万有引力与宇宙航行 5.相对论时空观与牛顿力学的局限性（课件）高中物理人教版必修二

(共36张PPT)
第七章　万有引力与宇宙航行
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.了解相对论时空观。
2.会运用长度收缩效应和时间延缓效应分析问题。
3.知道牛顿运动定律的适用范围。
4.认识牛顿力学的成就和局限性。
课标定位
1.理解相对论的时空观,形成物理观念。
2.体会科学理论总是在不断发展的,掌握科学思维方法。
3.通过认识知识的变化性和无穷性,培养献身科学的时代精神。
素养阐释
自主预习·新知导学
一、相对论时空观
1.爱因斯坦假设:在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的;真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是
相同的。
2.经典物理学认为:如果两个事件在一个参考系中是同时的,在另一个参考系中一定也是同时的。
3.如果相对于地面以速度v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ,地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt,
有Δt>Δτ,此种情况称为时间延缓效应。
4.如果与杆相对静止的人测得杆长是l0,沿着杆的方向,以速度v相对杆运动的人测得杆长是l,那么两者之间的关系是
5.运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。
二、牛顿力学的成就与局限性
1.牛顿力学的基础是牛顿运动定律,万有引力定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬。
2.牛顿力学适用于宏观世界,一般不适用于微观粒子。
3.牛顿力学适用于低速运动的物体,不适用于高速(接近光速)运动的物体。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)一根杆的长度静止时为l0,不管杆如何运动,杆的长度均小于l0。(　　)
(2)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化。(　　)
(3)高速运动的飞船中的航天员发现地面的时钟变慢了。
( )
(4)牛顿物理学研究的是物体在低速运动时所遵循的规律。
(　　)
×
×
√
√
2.牛顿第二定律属牛顿力学理论,它在高速世界还适用吗
提示:在高速世界中,物体的质量随着速度的增加而变大,物体的加速度不一定与它所受的外力成正比,牛顿第二定律不再适用。
3.在地面上校准的两只时钟,一只留在地面上,一只随宇宙飞船遨游太空,隔一段时间飞船返回地面时,两只时钟显示的时间相同吗 有什么差别
提示:不相同,随飞船遨游的时钟变慢。
合作探究·释疑解惑
知识点一
知识点二
知识点一 相对论的时空观
问题引领
时间延缓效应是不是指时钟走得慢了 长度收缩效应是不是指物体长度变短了
提示:不是。时间延缓效应和长度收缩
效应说明在不同惯性系中观测时,测得的
结果不同,是相对论时空观的体现,不是
时钟真的变慢了或物体长度真的变短了。
归纳提升
1.时间延缓效应
(1)时间延缓效应是时空的一种属性:在运动参考系中的时间节奏变慢了。一切物理过程、化学过程乃至观察者自己的生命节奏都变慢了。
(2)由于运动是相对的,故在某一个参考系中观察另一个参考系里发生的物理事件时,总能感到时间延缓效应。
(3)日常生活中的时间延缓效应可以忽略不计,在运动速度接近光速时,则变得特别明显。
2.长度收缩效应
止的观察者测出的杆的长度,而l可认为杆沿杆的长度方向以速度v运动时,静止的观察者测出的杆的长度,还可以认为是杆不动,而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的长度。
典型例题
【例题1】 A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处,vA>vB。在火箭A上的人观察到的结果正确的是(　　)
A.火箭A上的时钟走得最快
B.地面上的时钟走得最快
C.火箭B上的时钟走得最快
D.火箭B上的时钟走得最慢
答案:A
解析:在火箭A看来,地面和火箭B都高速远离自己,由Δt=
知,在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B的时钟都变慢了,相对于火箭A,地面的速度为vA,火箭B的速度为vA-vB,地面的速度最大,故地面的时钟最慢,因此A正确,B、C、D错误。
误区警示 时间延缓效应是在两个不同惯性系中进行时间比较的一种效应,不是时钟的结构或精度因运动而发生了变化,而是在不同参考系中对时间的观测效应。
【变式训练1】 如图所示,a、b、c为三个完全相同的时钟,a放在水平地面上,b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上,且vbA.a
B.b
C.c
D.无法确定
答案:C
解析:根据公式Δt= 可知,相对于观察者的速度v越大,
其上的时间进程越慢,由vc>vb>va=0,知c钟走得最慢。
【例题2】 地面上长100 km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30 km/s的速度掠过,则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少 如果火箭的速度达到0.6c,则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少
答案:100 km　80 km
解析:当火箭速度较低时,火箭上的人看到铁路的长度基本不变,还是100 km。
科学思维 1.长度收缩效应是狭义相对论时空观的一种体现,即在不同惯性系中的观测者对同一物体的同一个空间广延性进行观测,测得的结果不同。
2.这种沿着运动方向的长度的变化是相对的,另外,垂直于速度方向的长度不变。
【变式训练2】 (多选)若甲乘客坐在接近光速的火车上,乙观察者站在铁轨附近的地面上,甲、乙两人手中各持一把沿火车前进方向放置的米尺,则下列说法正确的是(　　)
A.甲看到乙手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要长
B.甲看到乙手中的尺子长度比甲看到自己手中的尺子长度要短
C.乙看到甲手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要长
D.乙看到甲手中的尺子长度比乙看到自己手中的尺子长度要短
答案:BD
知识点二 牛顿力学的局限性
问题引领
下图为费米实验室的圆形粒子加速器(或称同步回旋加速器),电子经加速器加速后,能量可达到100 GeV,速度达到0.999 999 999 987c。这时牛顿力学的规律还适用吗
提示:不适用。牛顿力学在低速运动的
领域中,经受了实践的检验,取得了巨大的
成就,但在高速领域不再适用。
归纳提升
1.牛顿力学适用于低速运动的物体,不适用于高速(接近光速)运动的物体,狭义相对论阐述物体在接近光速运动时所遵从的规律。
2.牛顿力学适用于宏观世界,一般不适用于微观粒子,而量子力学则能够正确描述微观粒子的运动规律。
3.相对论和量子力学并没有否定牛顿力学,牛顿力学是二者在一定条件下的特殊情形。
典型例题
【例题3】 (多选)物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识,推动了科学技术的创新和革命,促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。下列表述正确的是(　　)
A.牛顿发现了万有引力定律
B.牛顿通过实验测出了引力常量
C.相对论的创立表明牛顿力学已不再适用
D.爱因斯坦建立了狭义相对论,把物理学推广到高速领域
答案:AD
解析:万有引力定律是牛顿发现的,但引力常量是卡文迪什测出的,A正确,B错误。相对论并没有否定牛顿力学,牛顿力学对于低速、宏观物体的运动仍适用,C错误。狭义相对论的建立,是人类取得的重大成就,把物理学推广到了高速领域,D正确。
科学思维 一切科学的发展都是人们主动认识世界的过程,而每个人的研究又都是建立在前人的基础上,通过自己的努力去发展和提高。
【变式训练3】 牛顿运动定律不适用于下列哪些情况(　　)
A.研究原子中电子的运动
B.研究神舟十号飞船的高速发射
C.研究地球绕太阳的运动
D.研究飞机从北京飞往纽约的航线
答案:A
解析:牛顿力学适用于宏观、低速运动的物体,低速和高速的标准是相对于光速而言的,故可判定牛顿运动定律适用于B、C、D中描述的运动,而A不适用。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(牛顿力学的局限性)关于牛顿力学的适用范围,下列说法正确的是(　　)
A.宏观高速问题
B.微观低速问题
C.宏观低速问题
D.微观高速问题
答案:C
解析:牛顿力学局限于运动速率远小于真空中光速的宏观物体,对高速运动的物体和微观粒子不适用,所以只有C正确。
2.(长度收缩效应的理解)一艘太空飞船静止时的长度为30 m,它以0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球,下列说法正确的是(　　)
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30 m
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
答案:B
知光信号的速度都等于c,C、D错误。
3.(时间延缓效应的应用)近地卫星以7.9 km/s的最大运行速度环绕地球匀速运行。其上安装的一只完好的手表走过了1 min,地面上的人认为这只表走过这1 min“实际”上用了多少时间
答案:(1+3.47×10-10) min
解析:卫星上测到的时间Δτ=1 min,卫星运行的速度v=7.9×103 m/s,由相对论原理知,地面上的人观测到的时间为
说明,即使对于人造卫星这样的速度,相对论效应也是微不足道的。